Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания



Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания
Устройство сгорания и способ управления устройством сгорания

 


Владельцы патента RU 2468295:

КАВАСАКИ ДЗЮКОГИО КАБУСИКИ КАЙСЯ (JP)

Устройство сгорания содержит жаровую трубу, в которой образована камера сгорания; основную горелку, обеспеченную на верхней части жаровой трубы и включающую в себя проход для предварительной смеси, предназначенный для кольцеобразного впрыскивания предварительно смешанного газа топлива и воздуха в камеру сгорания, радиальный завихритель и впрыскивающую топливо трубку. Радиальный завихритель предназначен для ввода топлива и воздуха в проход для предварительной смеси в радиально внутреннем направлении. Впрыскивающая топливо трубка предназначена для впрыскивания топлива в радиальный завихритель с его входной стороны. Проход для предварительной смеси включает в себя радиально проходящую расположенную ближе по ходу часть и проходящую в осевом направлении расположенную дальше по ходу часть. Радиальный завихритель содержит закручивающие лопатки и разделительные платины, разделяющие лопатки завихрителя на множество ступеней завихрителя в осевом направлении. Завихритель установлен в расположенной ближе по ходу части прохода для предварительной смеси. Способ содержит этап регулирования скорости потока топлива, подаваемого для каждой из ступеней завихрителя. Изобретение позволяет регулировать радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа, стабилизируя пламя, поддерживаемое посредством сохранения большого угла закручивающей лопатки радиального завихрителя, для образования обратного потока в камере сгорания. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Настоящая заявка испрашивает приоритет по японской заявке на патент № 2008-136068, поданной в японское патентное ведомство 23 мая 2008 г., полное описание которой включено сюда путем ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству сгорания, использующемуся для такого устройства, как газотурбинный двигатель или котел, который требует подачи высокотемпературного газа, и способу управления радиальной концентрацией топлива, особенно предварительно смешанного газа в устройстве сгорания.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Исходя из условий сохранения окружающей среды установлены строгие нормы по охране окружающей среды для состава выхлопного газа, отводящегося при сгорании в газотурбинном двигателе, и выбросы токсичных веществ, например окиси азота (в дальнейшем называемая NOx), должны быть уменьшены. Однако в газотурбинных двигателях для крупномасштабного наземного оборудования и самолетов коэффициент давления стремится устанавливаться высоким для того, чтобы уменьшить потребление топлива и увеличить производительность, и это увеличивает температуру и давление на входе устройства сгорания. Так как температура сгорания легко увеличивается посредством увеличения температуры на входе устройства сгорания, предполагается, что вопрос NOx может сильно увеличиться.

В последние годы была предложена система сгорания, применяющая систему сгорания с обедненной предварительной смесью, которая эффективно уменьшает степень образования NOx. Например, была предложена комбинированная система сгорания, полученная посредством объединения системы сгорания с обедненной предварительной смесью и системой диффузионного сгорания (см. японскую выложенную публикацию заявки на патент № 8-28871 и японскую выложенную публикацию заявки на патент № 8-210641). В системе сгорания с обедненной предварительной смесью воздух и топливо предварительно смешиваются и сгорают как смесь воздух-топливо, концентрация топлива которой является постоянной. Следовательно, область сгорания, где температура пламени в определенном месте является высокой, не имеет места. Дополнительно, температура пламени может быть полностью снижена посредством разбавления топлива. Ввиду этого степень образования NOx может быть эффективно уменьшена. Однако во время низконагруженного сгорания может происходить срыв пламени. Так как система диффузионного сгорания сжигает топливо и воздух, при диффузии и смешивании топлива и воздуха срыв пламени является маловероятным, даже во время низкой нагрузки, и пламя, поддерживающее производительность, является превосходным. Однако система диффузионного сгорания имеет проблему с уменьшением степени образования NOx. Следовательно, в соответствии с комбинированной системой сгорания уменьшение степени образования NOx может быть получено посредством сгорания предварительной смеси во время высокой нагрузки, при этом гарантируя устойчивость горения посредством диффузионного сгорания во время пусковой и низкой нагрузки.

Например, как показано на фиг.6, устройство сгорания традиционной комбинированной системы сгорания применяет блок 85 горелок вихревого типа, выполненный таким образом, что горелка (основная горелка) 84 для сгорания предварительной смеси, включающая в себя радиальный завихритель 83, имеющий закрепленную закручивающую лопатку, обеспечена так, чтобы окружать внешнюю сторону горелки (пусковой горелки) 82 для диффузионного сгорания, обеспеченной на верхней части 81а жаровой трубы 81 устройства 80 сгорания, и дополнительно предназначена для впрыскивания предварительно смешанного газа Р в виде закрученного потока в камеру сгорания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Для улучшения пламени, поддерживаемого в традиционном устройстве 80 сгорания, использующем основную горелку 84 вихревого типа, включая радиальный завихритель 83, традиционное устройство 80 сгорания устанавливается таким образом, что закручивание предварительно смешанного газа улучшается для того, чтобы улучшить обратный поток R предварительно смешанного газа. Для того чтобы это сделать, требуется увеличить угол закрепленной закручивающей лопатки радиального завихрителя 83. Однако в этом случае требуется увеличить осевую высоту лопатки в то же время для того, чтобы обеспечить проходную область для предварительно смешанного газа Р, и входная высота радиального завихрителя 83 также увеличивается. Вместе с этим осевой размер входной части, в которую вводится воздух и топливо, также увеличивается.

В традиционном устройстве 80 сгорания, для того чтобы уменьшить размер устройства, проход 86 для воздуха, проходящий от газотурбинного компрессора, образован между жаровой трубой 81 и корпусом Н, закрывающим внешнюю сторону жаровой трубы 81, и воздух А вводится в направлении от расположенного дальше по ходу конца жаровой трубы 81 по направлению к верхней части 81а, которая представляет собой расположенный ближе по ходу конец жаровой трубы 81, то есть в направлении, противоположном потоку газообразного продукта сгорания. В этом случае воздух А, прошедший через проход 86 для воздуха, вводится в проход для предварительной смеси через вход радиального завихрителя 83, который открывается в направлении радиально наружу, смешивается с топливом и впрыскивается в виде предварительно смешанного газа в жаровую трубу в направлении, противоположном потоку сжатого воздуха.

Для конкретности, направление потока воздуха А, вводимого через проход 86 для воздуха в радиальный завихритель 83, меняется, по существу, на 90°. Следовательно, посредством центробежной силы, образованной вышеприведенным изменением направления, осевое распределение скорости потока воздуха на расположенной ближе по ходу части канала для предварительной смеси отклоняется. Более того, в случае стабилизирования пламени, поддерживаемого посредством увеличения угла закручивающей лопатки радиального завихрителя, как описано выше, осевой размер входной части увеличивается, таким образом, распределение скорости потока отклоняется еще значительнее. В качестве результата, радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого через проход для предварительной смеси в камеру сгорания, также отклоняется. Следовательно, проблема заключается в том, что является сложным осуществлять управляющие операции, например, создание равномерного радиального распределения концентрации топлива и осуществление преднамеренного распределения концентрации топлива.

Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении устройства сгорания, способного легко управлять радиальным распределением концентрации предварительно смешанного газа, впрыскиваемого из горелки в камеру сгорания, при этом стабилизируя пламя, поддерживаемое посредством сохранения большого угла закручивающей лопатки радиального завихрителя, для образования сильного обратного потока в камере сгорания и способа управления устройством сгорания для легкого управления радиальным распределением концентрации топлива предварительно смешанного газа в устройстве сгорания.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Для достижения вышеприведенной цели устройство сгорания в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: жаровую трубу, в которой образована камера сгорания; основную горелку, обеспеченную на верхней части жаровой трубы и включающую в себя проход для предварительной смеси, предназначенный для кольцеобразного впрыскивания предварительно смешанного газа топлива и воздуха в камеру сгорания, и радиальный завихритель, предназначенный для ввода топлива и воздуха в проход для предварительной смеси в радиально внутреннем направлении; и впрыскивающую топливо трубку, предназначенную для впрыскивания топлива в радиальный завихритель с входной стороны радиального завихрителя, причем радиальный завихритель разделен на множество ступеней завихрителя посредством разделительных пластин в осевом направлении.

В соответствии с этой конструкцией, так как радиальный завихритель разделен на множество ступеней завихрителя посредством разделительных пластин в осевом направлении, может быть предотвращено отклонение в осевом направлении скорости потока воздуха, вводимого в радиальный завихритель.

Является предпочтительным, чтобы в вышеприведенном устройстве сгорания впрыскивающая топливо трубка включала в себя множество отверстий для впрыскивания топлива, надлежащим образом соответствующих ступеням завихрителя. В соответствии с этой конструкцией, так как впрыскивающая топливо трубка, предназначенная для впрыскивания топлива в радиальный завихритель, включает в себя отверстия для впрыскивания, надлежащим образом соответствующие ступеням завихрителя, отклонение радиального распределения концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого из прохода для предварительной смеси в камеру сгорания, может быть значительно предотвращено.

В вышеприведенном устройстве сгорания скорость потока топлива, подаваемого из впрыскивающей топливо трубки, может быть способной устанавливаться для каждой из ступеней завихрителя. В соответствии с этой конструкцией, управляющие операции становятся легкими. Например, радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого через проход для предварительной смеси в камеру сгорания, может быть дополнительно униформизировано, или может быть осуществлено предполагаемое распределение концентрации топлива.

Как описано выше, для того чтобы установить скорость потока топлива для каждой из ступеней завихрителя, например, по меньшей мере, часть из множества отверстий для впрыскивания топлива впрыскивающей топливо трубки могут отличаться друг от друга внутренним диаметром. Для конкретности множество отверстий для впрыскивания топлива может быть выполнено таким образом, чтобы иметь индивидуально установленные внутренние диаметры. При этой конструкции радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого через проход для предварительной смеси в камеру сгорания, может эффективно регулироваться посредством простой конструкции.

В устройстве сгорания в соответствии с настоящим изобретением радиальная длина разделительной пластины может быть короче, чем радиальная длина радиально проходящей прямой части, которая образует расположенную ближе по ходу часть прохода для предварительной смеси. Когда воздух, прошедший через проход для воздуха, изменяет его направление к радиальному завихрителю, он приобретает самую высокую центробежную силу на входной части радиального завихрителя. Следовательно, радиальная длина может представлять собой длину, способную подавлять осевое отклонение скорости потока воздуха на этой части. Дополнительно, чем короче радиальная длина радиального завихрителя, тем длиннее становится проход для предварительной смеси за радиальным завихрителем. Следовательно, ускоряется предварительное смешивание.

В вышеприведенном устройстве сгорания способ управления устройством сгорания в соответствии с настоящим изобретением включает в себя этап регулирования скорости потока топлива, подаваемого для каждой из ступеней завихрителя, для регулирования радиального распределения концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого из основной горелки в камеру сгорания.

В способе управления устройством сгорания в соответствии с настоящим изобретением, так как осевое распределение скорости потока воздуха является равномерным благодаря разделению радиального завихрителя в осевом направлении, радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого в камеру сгорания, может легко регулироваться только посредством регулирования скоростей потоков топлива, подаваемого в соответствующие ступени завихрителя.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему, показывающую газотурбинный двигатель, к которому применяется устройство сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой продольное сечение, показывающее устройство сгорания на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой увеличенное продольное сечение основных частей устройства сгорания на Фиг.2.

Фиг.4 представляет собой поперечное сечение, взятое по линии IV-IV на Фиг.3.

Фиг.5А представляет собой принципиальную схему для объяснения потока воздуха в устройстве сгорания на Фиг.1.

Фиг.5В представляет собой принципиальную схему для объяснения потока воздуха в традиционном устройстве сгорания.

Фиг.6 представляет собой продольное сечение, показывающее традиционное устройство сгорания.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В дальнейшем вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением будет подробно объясняться со ссылкой на чертежи. Фиг.1 представляет собой упрощенную схему конструкции, показывающую газотурбинный двигатель, к которому применяется устройство сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Газотурбинный двигатель GT включает в себя компрессор 1, устройство 2 сгорания и турбину 3 в качестве основных элементов. Сжатый воздух, подаваемый из компрессора 1, сжигается в устройстве 2 сгорания, и газообразный продукт сгорания высокого давления, образованный посредством этого сгорания, подается в турбину 3. Компрессор 1 соединен с турбиной 3 посредством вращающегося вала 5 и приводится в действие турбиной 3. Нагрузка 4, например ротор самолета или генератор мощности, приводится в действие посредством выходного устройства газотурбинного двигателя GT. Топливо F подается из подающего топливо устройства 9 через управляющее топливом устройство 8 в устройство 2 сгорания.

Фиг.2 представляет собой продольное сечение, показывающее устройство 2 сгорания. Устройство 2 сгорания представляет собой корпусной тип, то есть множество устройств 2 сгорания кольцеобразно расположено вокруг осевой линии вращения двигателя. Устройство 2 сгорания включает в себя жаровую трубу 12, в которой образована камера 10 сгорания, и блок 14 горелок, который прикреплен к верхней части 12а жаровой трубы 12 и впрыскивает предварительно смешанный газ топлива и воздуха в камеру 10 сгорания. Жаровая труба 12 и блок 14 горелок соосно расположены, по существу, в цилиндрическом корпусе Н, который представляет собой внешнюю трубу устройства 2 сгорания. Торцевая крышка 18 прикреплена к верхнему концу корпуса Н посредством болтов 20.

Устройство 2 сгорания представляет собой противоточный тип. Проход 30 для воздуха образован между корпусом Н и боковой стенкой 12b жаровой трубы 12. Проход 30 для воздуха впускает сжатый воздух А, подаваемый из компрессора 1, в направлении, показанном с помощью стрелки, в блок 14 горелок, то есть в направлении, противоположном направлению потока топливного газа G в камере 10 сгорания.

На расположенной ближе по ходу окружной стенке жаровой трубы 12 одна или множество свечей 36 зажигания прикреплены к корпусу Н таким образом, чтобы проходить через корпус Н и жаровую трубу 12. Свеча 36 зажигания воспламеняет предварительно смешанный газ, впрыскиваемый из нижеописанной пусковой горелки 44 блока 14 горелок, для образования области S горения на расположенном ближе по ходу участке жаровой трубы 12. Более того, множество отверстий для разбавляющего воздуха (не показаны) образованы дальше по ходу от области S горения в жаровой трубе 12, заставляя короткие трубки проходить через корпус Н и жаровую трубу 12.

Фиг.3 представляет собой продольное сечение, показывающее основные части устройства 2 сгорания Фиг.2. Блок 14 горелок включает в себя основную горелку 42 и пусковую горелку 44. Основная горелка 42 впрыскивает кольцевой предварительно смешанный газ Р1, содержащий закрученные составляющие, и пусковая горелка 44 обеспечена внутри основной горелки 42. Конкретно, блок 14 горелок включает в себя внешнюю трубку 46 горелки и внутреннюю трубку 48 горелки. Внешняя трубка 46 горелки включает в себя внешнюю окружную цилиндрическую часть 46а, соосную с осевой линией О жаровой трубы 12, и внешнюю окружную дисковую часть 46b, проходящую в форме диска от расположенного ближе по ходу конца внешней окружной цилиндрической части 46а в направлении, перпендикулярном осевой линии О. Внутренняя трубка 48 горелки включает в себя внутреннюю окружную цилиндрическую часть 48а, расположенную на радиально внутренней стороне внешней окружной цилиндрической части 46а, и внутреннюю окружную дисковую часть 48b, расположенную на стороне ближе по ходу относительно внешней окружной дисковой части 46b и проходящую от окрестности расположенной ближе по ходу концевой части внутренней окружной цилиндрической части 48а параллельно с внешней окружной дисковой частью 46b. Кольцевой первый проход 42а для предварительной смеси основной горелки 42 образован пространством между внешней трубкой 46 горелки и внутренней трубкой 48 горелки, и второй проход 44а для предварительно смешанного газа пилотной горелки 44 образован внутренним пространством внутренней трубки 48 горелки.

Первый проход 42а для предварительной смеси основной горелки 42 образован таким образом, чтобы иметь L-образную форму в вертикальном продольном сечении, проходящем через осевую линию О (то есть продольное сечение, которое представляет собой поверхность, содержащую осевую линию О). Радиальный завихритель 50 прикреплен к расположенной ближе по ходу части первого прохода 42а для предварительной смеси, часть которого обращена в направлении радиально наружу, то есть радиальный завихритель 50 прикреплен между самыми внешними окружными частями двух дисковых частей 46b и 48b. Расположенная дальше по ходу часть первого прохода 42а для предварительной смеси обращена в осевом направлении. Радиально внешний конец радиального завихрителя 50 образован в качестве входной части 50а, через которую воздух А и топливо F1 впускаются в первый проход 42а для предварительной смеси в радиально внутреннем направлении. Первая впрыскивающая топливо трубка 52, которая образует проход для топлива, через который топливо F1 подается, обеспечена на более дальней радиально внешней стороне входной части 50а так, чтобы проходить через торцевую крышку 18. Множество первых впрыскивающих топливо трубок 52 расположено на равных интервалах в окружном направлении.

Радиальный завихритель 50 прикреплен к основной горелке 42 посредством посадки в посадочную часть 42b, образованную между самыми внешними окружными частями двух дисковых частей 46b и 48b. Как показано на фиг.4, которая представляет собой поперечное сечение, взятое по линии IV-IV на фиг.3, радиальный завихритель 50 включает в себя закрепленные закручивающие лопатки 54, предназначенные для закручивания воздуха А и топлива F1, впускаемых в первый проход 42а для предварительной смеси. Более того, радиальный завихритель 50 обеспечен кольцевыми разделительными пластинами 56.

Как показано на Фиг.3, множество ступеней 50b завихрителя образованы в качестве секций завихрителя посредством разделения радиального завихрителя 50 разделительными пластинами 56 вдоль осевой линии О. В настоящем варианте осуществления радиальный завихритель 50 разделен четырьмя разделительными пластинами 56 на пять ступеней 50b завихрителя. Следовательно, входная часть первого прохода 42а для предварительной смеси также разделена разделительными пластинами 56 на пять частей в осевом направлении. Смешивание происходит в первом проходе 42а для предварительной смеси, и предварительно смешанный газ Р1 образуется посредством закручивания, прикладываемого от закрепленных закручивающих лопаток 54 радиального завихрителя 50. Предварительно смешанный газ Р1 в виде закрученного потока вокруг осевой линии О устройства 2 сгорания впрыскивается в камеру 10 сгорания через отверстие 42с для впрыскивания, которое представляет собой расположенное дальше по ходу отверстие первого прохода 42а для предварительной смеси. Количество разделительных пластин не меньше чем две и не больше чем шесть, и предпочтительно не меньше чем три и не больше чем 5. Завихритель 50 может быть разделен на три-семь частей и предпочтительно четыре-шесть частей.

Разделительная пластина 56 может иметь такую соответствующую радиальную длину, что сжатый воздух А, прошедший через проход 30 для воздуха, изменяет его направление на радиально внутреннее направление для ввода в первый проход 42а для предварительной смеси. Радиальная длина L1 разделительной пластины 56, то есть радиальная длина радиального завихрителя 50, предпочтительно, находится в пределах от 1/6 до 2/3 от длины L2 расположенной ближе по ходу радиально прямой части первого прохода 42а для предварительной смеси и более предпочтительно от 1/4 до 1/2 от длины L2. В настоящем варианте осуществления, радиальная длина L1 разделительной пластины 56 устанавливается равной 1/3 от длины L2 радиально прямой части первого прохода 42а для предварительной смеси.

Отношение L1/D радиальной длины L1 разделительной пластины 56 и интервала (то есть осевой ширины каждой ступени 50b завихрителя) D между соседними разделительными пластинами 56 вдоль осевой линии О составляет 2,0 в настоящем варианте осуществления, но предпочтительно от 1,0 до 3,0 и более предпочтительно от 1,5 до 2,5. В случае, где отношение L1/D меньше чем 1,0, длина L1 закрепленной закручивающей лопатки 54 является относительно короткой по сравнению с большой площадью прохода (окружная длина входа завихрителя × D). В качестве результата эффект подавления отклонения осевого объемного расхода воздуха на каждой ступени 50b завихрителя становится маленьким. В случае, где отношение L1/D превышает 3,0, площадь (окружная длина разделительной пластины 56×L1) разделительной пластины 56 является относительно большой по сравнению с большой площадью прохода ступени 50b завихрителя. В качестве результата, фрикционное сопротивление воздуха А у разделительной пластины 56 увеличивается.

Первая впрыскивающая топливо трубка 52 обеспечена отверстиями 52а для впрыскивания топлива, расположенными в осевом направлении. Количество отверстий 52а для впрыскивания топлива соответствует количеству ступеней 50b завихрителя. Отверстия 52а для впрыскивания топлива обеспечены таким образом, чтобы быть соответственно противоположными ступеням 50b завихрителя на входной стороне. Топливо F1 впрыскивается в ступени 50b завихрителя через множество отверстий 52а для впрыскивания топлива. В настоящем варианте осуществления, внутренние диаметры отверстий 52а для впрыскивания топлива являются равными один другому, и скорости потоков топлива F1, впрыскиваемого в соответствующие ступени 50b завихрителя, устанавливаются таким образом, чтобы быть равными одна другой.

Расположенная ближе по ходу часть второго прохода 44а для предварительно смешанного газа образована между кольцевой пластиной 63 первого прохода, поддерживаемой пусковой горелкой 44, и дискообразной пластиной 66 второго прохода, прикрепленной к пластине 63 первого прохода через распорку 64 болтом 65 так, чтобы быть противоположной пластине 63 первого прохода в осевом направлении. Вторая, впрыскивающая топливо трубка 67, предназначенная для подачи топлива F2, обеспечена на радиально внешней стороне расположенного ближе по ходу конца второго прохода 44а для предварительно смешанного газа так, чтобы проходить через торцевую крышку 18. Первая впрыскивающая топливо трубка 52, предназначенная для подачи топлива F1 в основную горелку 42, и второй подающий топливо проход 67, предназначенный для подачи топлива F2 в пусковую горелку 44, обеспечены как отдельные системы для подачи топлива. Благодаря индивидуальному управлению скоростью потока топлива концентрация топлива (отношение воздух-топливо) смеси воздух-топливо может регулироваться независимо.

Далее будет объяснена работа устройства 2 сгорания, выполненного, как описано выше.

Как показано на фиг.3, сжатый воздух А, подаваемый из компрессора 1, протекает через проход 30 для воздуха, который представляет собой противоточный проход, образованный между боковой стенкой 12b жаровой трубы 12 и корпусом Н. Затем сжатый воздух вводится во входную часть 50а радиального завихрителя 50, прикрепленного к расположенной ближе по ходу части первого прохода 42а для предварительной смеси основной горелки 42. Направление потока сжатого воздуха А меняется на 90° относительно радиально внутреннего направления и дополнительно меняется на 90° при входе в расположенную дальше по ходу часть первого прохода 42а для предварительной смеси. Следовательно, сжатый воздух А приобретает высокую центробежную силу, когда вводится в радиальный завихритель 50.

В таком случае, в соответствии с традиционным радиальным завихрителем 50, не включающим разделительные пластины, как показано на Фиг.5В, скорость потока воздуха А отклоняется под действием центробежной силы так, чтобы становиться высокой на осевой верхней торцевой стороне (на левой стороне на Фиг.5В). Однако в соответствии с радиальным завихрителем 50 устройства 2 сгорания в соответствии с настоящим вариантом осуществления, как показано на фиг.5А, воздух А по отдельности вводится во множество ступеней 50b завихрителя, образованных посредством разделения радиального завихрителя 50 разделительными пластинами 56 в осевом направлении. Следовательно, хотя осевые скорости потоков воздуха А в соответствующих ступенях 50b завихрителя незначительно отклоняются, отклонение осевой скорости потока воздуха А во всем радиальном завихрителе 50 значительно предотвращено.

Более того, так как отверстия 52а для впрыскивания топлива, обеспеченные так, чтобы надлежащим образом соответствовать ступеням 50b завихрителя на фиг.3, имеют равный внутренний диаметр друг к другу, скорости потоков топлива F1, впрыскиваемого в соответствующие ступени 50b завихрителя, регулируются таким образом, чтобы быть, по существу, равными друг другу.

Для конкретности, в радиальном завихрителе 50, использующемся в настоящем варианте осуществления, скорости потоков воздуха А, вводимого в соответствующие ступени 50b завихрителя, образованные посредством разделения радиального завихрителя 50 разделительными пластинами 56 в осевом направлении, регулируются таким образом, чтобы быть, по существу, равными друг другу, и скорости потоков топлива F1, вводимого в соответствующие ступени 50b завихрителя, регулируются таким образом, чтобы быть, по существу, равными друг другу. Следовательно, осевое распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа Р1, образованного в расположенной ближе по ходу части первого прохода 42а для предварительной смеси, является равномерным. В качестве результата, радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа Р1, впрыскиваемого через первый проход 42а для предварительной смеси в камеру 10 сгорания, может быть равномерным.

Более того, в отличие от настоящего варианта осуществления, внутренние диаметры множества отверстий 52а для впрыскивания топлива первой впрыскивающей топливо трубки 52 могут быть не равными друг другу и могут быть установлены индивидуально. Для конкретности, внутренние диаметры множества отверстий 52а для впрыскивания топлива первой впрыскивающей топливо трубки 52 могут отличаться друг от друга. Соответствующее распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа Р1, впрыскиваемого в камеру 10 сгорания для того, чтобы осуществить сгорание с низким NOx, может меняться в зависимости от разных факторов, например формы камеры 10 сгорания и конструкции пусковой горелки 44, использующейся в комбинации с основной горелкой 42. Для конкретности, имеет место случай, где концентрация топлива предварительно смешанного газа Р1, впрыскиваемого в камеру 10 сгорания, должна регулироваться таким образом, чтобы необязательно быть равномерной, а намеренно отклоненной.

Даже в таком случае, в соответствии с устройством 2 сгорания в соответствии с настоящим изобретением, так как осевое распределение скорости потока воздуха А является равномерным посредством разделения радиального завихрителя 50 в осевом направлении, радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа Р1, впрыскиваемого в камеру 10 сгорания, может легко регулироваться только посредством регулирования скоростей потоков топлива F1, подаваемого в соответствующие ступени 50b завихрителя.

Как описано выше, скорости потоков топлива, подаваемого в соответствующие ступени 50b завихрителя, могут легко регулироваться, например, посредством индивидуальной установки внутренних диаметров отверстий 52а для впрыскивания топлива, соотносящихся с соответствующими ступенями 50b завихрителя.

Более того, завихритель 50, разделенный на множество ступеней в осевом направлении, может приобретать особенно большое влияние в случае настоящего варианта осуществления. Для конкретности, в устройстве 2 сгорания воздух А, вводимый в радиальный завихритель 50, приобретает большую центробежную силу, так как его направление потока меняется на 90° через радиальный завихритель 50. Однако посредством обеспечения разделительных пластин 56 в радиальном завихрителе 50 отклонение осевого распределения скорости потока воздуха А, вводимого в радиальный завихритель 50, может быть подавлено до минимума. Следовательно, при осуществлении компактной конструкции устройства 2 сгорания радиальное распределение концентрации топлива предварительно смешанного газа Р1, впрыскиваемого в камеру 10 сгорания, может быть оптимизировано, и сгорание с низким NOx может быть осуществлено.

В настоящем варианте осуществления, в качестве одного примера радиальный завихритель 50 разделен на пять ступеней 50b завихрителя посредством четырех разделительных пластин 56. Однако количество ступеней 50b завихрителя не ограничивается на пяти и может быть подходящим образом установлено.

Более того, в вышеприведенном варианте осуществления, закрепленная закручивающая лопатка 54 и разделительная пластина 56 радиального завихрителя 50 имеют, по существу, равную радиальную длину относительно друг друга. Однако закрепленная закручивающая лопатка 54 и разделительная пластина 56 могут иметь разные радиальные длины относительно друг друга. Более того, ступени 50b завихрителя могут быть отличными друг от друга по радиальной длине и осевой длине.

Форма внутренней угловой части 42d первого прохода 42а для предварительно смешанного газа может представлять собой форму дуги окружности, которая является аналогичной части овальной формы, как показано пунктирной линией с двойным штрихом на Фиг.3, при этом внутренняя угловая часть 42d соединяет радиально проходящую расположенную ближе по ходу часть и проходящую в осевом направлении расположенную дальше по ходу часть первого прохода 42а для предварительно смешанного газа. Более того, в вышеприведенном варианте осуществления, пусковая горелка 44 объяснена как горелка, предназначенная для впрыскивания предварительно смешанного газа Р2 в камеру 10 сгорания. Однако пусковая горелка 44 может представлять собой горелку диффузионного горения, предназначенную для отдельного впрыскивания топлива F2 и воздуха А в камеру 10 сгорания. Более того, вышеприведенный вариант осуществления объяснил пример, в котором устройство 2 сгорания применяется для газотурбинного двигателя GT. Однако устройство сгорания в соответствии с настоящим изобретением может применяться не только для газотурбинного двигателя, но и также для других устройств, например котлов, которые требуют подачи высокотемпературного газа.

Как приведено выше, предпочтительные варианты осуществления были объяснены со ссылкой на чертежи. Различные изменения и модификации могут быть легко выполнены специалистом в данной области техники в пределах объема настоящего описания. Следовательно, такие изменения и модификации подпадают под объем настоящего изобретения, заявленный в формуле изобретения.

1. Устройство сгорания, содержащее: жаровую трубу, в которой образована камера сгорания; основную горелку, обеспеченную на верхней части жаровой трубы и включающую в себя проход для предварительной смеси, предназначенный для кольцеобразного впрыскивания предварительно смешанного газа топлива и воздуха в камеру сгорания, и радиальный завихритель, предназначенный для ввода топлива и воздуха в проход для предварительной смеси в радиально внутреннем направлении; и впрыскивающую топливо трубку, предназначенную для впрыскивания топлива в радиальный завихритель с входной стороны радиального завихрителя, при этом проход для предварительной смеси включает в себя радиально проходящую расположенную ближе по ходу часть и проходящую в осевом направлении расположенную дальше по ходу часть, причем радиальный завихритель содержит закручивающие лопатки и разделительные пластины, разделяющие лопатки завихрителя на множество ступеней завихрителя в осевом направлении, при этом завихритель установлен в расположенной ближе по ходу части прохода для предварительной смеси.

2. Устройство сгорания по п.1, дополнительно содержащее корпус, предназначенный для размещения жаровой трубы, в котором проход для воздуха, предназначенный для ввода воздуха в направлении, противоположном направлению потока газообразного продукта сгорания в камере сгорания, образован между корпусом и периферической стенкой жаровой трубы.

3. Устройство сгорания по п.1, в котором впрыскивающая топливо трубка включает в себя множество отверстий для впрыскивания топлива, надлежащим образом соответствующих ступеням завихрителя.

4. Устройство сгорания по п.3, в котором скорость потока топлива, подаваемого из впрыскивающей топливо трубки, имеет возможность быть установленной для каждой из ступеней завихрителя.

5. Устройство сгорания по п.4, в котором, по меньшей мере, часть из множества отверстий для впрыскивания топлива впрыскивающей топливо трубки отличается друг от друга внутренним диаметром.

6. Устройство сгорания по п.1, в котором радиальная длина разделительной пластины короче, чем радиальная длина радиально проходящей прямой части, которая образует расположенную ближе по ходу часть прохода для предварительной смеси.

7. Способ управления устройством сгорания, при этом устройство сгорания включает в себя: жаровую трубу, в которой образована камера сгорания; основную горелку, обеспеченную на верхней части жаровой трубы и включающую в себя проход для предварительной смеси, предназначенный для кольцеобразного впрыскивания предварительно смешанного газа топлива и воздуха в камеру сгорания, и радиальный завихритель, предназначенный для ввода топлива и воздуха в проход для предварительной смеси в радиально внутреннем направлении; и впрыскивающую топливо трубку, предназначенную для впрыскивания топлива в радиальный завихритель с входной стороны радиального завихрителя, при этом проход для предварительной смеси включает в себя радиально проходящую расположенную ближе по ходу часть и проходящую в осевом направлении расположенную дальше по ходу часть, причем радиальный завихритель содержит закручивающие лопатки и разделительные пластины, разделяющие лопатки завихрителя на множество ступеней завихрителя в осевом направлении, при этом завихритель установлен в расположенной ближе по ходу части прохода для предварительной смеси, при этом способ содержит этап регулирования скорости потока топлива, подаваемого для каждой из ступеней завихрителя, для регулирования радиального распределения концентрации топлива предварительно смешанного газа, впрыскиваемого из основной горелки в камеру сгорания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе впрыска топлива и улучшениям для дополнительного снижения веществ, загрязняющих воздух, таких как оксиды азота (NOх). .

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, может быть использовано в конструкции камер сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД) наземного применения, работающих на природном газе, и обеспечивает при его использовании широкий диапазон устойчивого горения КС и низкий уровень эмиссии NOx и СО на номинальном режиме работы двигателя за счет снижения расхода топлива.

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя. .

Изобретение относится к области энергетики. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к камерам сгорания. .

Изобретение относится к машиностроению. .

Изобретение относится к распределителю топлива, в частности, для горелки и завихрителя

Изобретение относится к средствам и способу регулирования температуры в камере сгорания

Изобретение относится к области инжекторно-топливных систем

Изобретение относится к горелке газовой турбины с множеством основных завихрителей, которые имеют, соответственно, образованное кромкой основного завихрителя входное отверстие

Одноконтурная горелка предназначена для сжигания газа в тепловырабатывающих устройствах, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей, где требуется низкая окружная неравномерность температурного поля и его регулировка без съема горелки с установки и частичной ее разборки. Одноконтурная горелка, содержит завихритель (1), в полых лопатках которого выполнены отверстия (2) подвода газа в межлопаточные полости завихрителя, сопло (3), пустотелый корпус (4), содержащий на внешней цилиндрической поверхности резьбу (15) для соединения со шлицевой гайкой (8) и отверстия (5) подвода газа к сменной дроссельной шайбе (6), расположенной внутри корпуса, и далее к полым лопаткам завихрителя (1). Для крепления горелки к газораспределительному устройству (7), горелка содержит шлицевую гайку (8) с уплотнительными кольцами (9). С целью регулировки расхода газа через горелку, без съема горелки с газораспределительного устройства (7) и замены сменной дроссельной шайбы (6) на другую, шлицевая гайка (8) выполнена в виде полого цилиндра с дополнительной резьбой (10) в передней части и цилиндрическим выступающим пояском (11) для размещения в шлицевой гайке (8) заглушки (12) с уплотнительным кольцом (13). Заявленное изобретение снижает материальные затраты и время на отладку параметров характеристики температурного поля камеры сгорания. 1 ил.

Изобретение может быть использовано при изготовлении котлов для сжигания низкосортных видов топлива с повышенной влажностью. Топливо подается в камеру горения, первичный воздух поступает из камеры предварительного розжига, а вторичный воздух поступает в камеру дожигания. Корпус туннельной камеры сгорания состоит из камеры предварительного розжига, камеры основного горения и камер дожигания, а в камере основного горения устроены пазы (туннели) с выходом в камеру розжига и камеру дожигания. Изобретение направлено на снижение затрат на топливоподготовку, а также на возможность сжигания топлива с повышенной влажностью. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Завихряющее устройство для впрыска среды в турбину имеет центральную ось, центральный канал, проходящий в осевом направлении вдоль центральной оси, и наружный периметр. Также оно содержит базовую пластину с торцевой поверхностью, в которой сформированы первый проход и второй проход. Проходы выполнены с возможностью направления среды из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу и расположены попеременно в круговом направлении завихряющего устройства. Первый проход содержит первую базовую область, образующую первую плоскость, перпендикулярную центральной оси. Второй проход содержит вторую базовую область, образующую вторую плоскость, перпендикулярную центральной оси. Первый проход имеет первую глубину в осевом направлении, а второй проход имеет вторую глубину в осевом направлении. Первая глубина и вторая глубина отличаются друг от друга и образованы за счет разной толщины материала базовой пластины. Другим объектом настоящего изобретения является способ впрыска среды в турбину посредством завихряющего устройства, описанного выше, согласно которому направляют среду из области, окружающей наружный периметр, к центральному каналу завихряющего устройства. Изобретение позволяет создать устойчивую систему впрыска топлива. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Завихритель для смешивания топлива и воздуха, содержащий множество лопаток, расположенных на делительной окружности, которые, вместе с первой стенкой, расположенной на первой продольной торцевой поверхности лопаток, и второй стенкой, расположенной на противоположной второй продольной торцевой поверхности лопаток, образуют канал потока. Первая стенка имеет по меньшей мере одно инжекционное отверстие, открывающееся в соответствующий канал потока. Канал потока образован так, что воздух смешивается с топливом при движении через канал потока от стороны высокого давления к стороне низкого давления. Топливо может быть дополнительно впрыснуто в канал потока через по меньшей мере одно дополнительное инжекционное отверстие во второй стенке. Изобретение способствует гомогенному распределению топлива в канале потока и, следовательно, обеспечивает равномерное смешивание воздуха с топливом, что приводит к равномерному горению топливовоздушной смеси в горелке с низким выбросом NOx. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Завихритель для смешивания топлива и воздуха содержит множество лопастей, расположенных радиально вокруг центральной оси завихрителя, множество смешивающих каналов для смешивания топлива и воздуха. По меньшей мере, один смешивающий канал из множества смешивающих каналов задан противоположными стенками двух соседних лопастей из множества лопастей и содержит, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска топлива, размещенное в секции выше по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала, и содержит осевой завихритель. Завихритель, в частности, проходит между стенками двух соседних лопастей и размещен в секции ниже по потоку, по меньшей мере, одного смешивающего канала. Изобретение направлено на улучшение смешивания топлива с воздухом посредством предоставления гомогенной топливо-воздушной смеси при различных нагрузках газовой турбины. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх